JP6751052B2

JP6751052B2 - 高温超電導線材及び超電導コイル

Info

Publication number: JP6751052B2
Application number: JP2017107682A
Authority: JP
Inventors: 朋吉田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2037-05-31
Also published as: JP2018206521A

Description

本発明は、高温超電導線材及び超電導コイルに関する。

高温超電導線材を巻回させた超電導コイルを使用する際には、超電導特性を発現させるために冷却が必要となる。超電導コイルを冷却する際、含浸樹脂と高温超電導線材との熱収縮の差により、高温超電導線材の内部には高温超電導層が基材から剥離する方向に剥離応力が発生する。この剥離応力により、層間剥離やクラックが発生すると、安定した超電導特性を得ることができないおそれがある。

剥離応力を低減するため、従来、様々な構造が提案されている。例えば、特許文献１には、超電導線材の表面に離形材層を設けた構造が記載されている。また、特許文献２には、超電導線材の表面にカーボン層を形成し、含浸樹脂と超電導線材との間で、カーボン層が弱い力で破断することにより、超電導層の破損を防止する構造が記載されている。

特開２０１０−２６７５５０号公報特開２０１６−１３４４１８号公報

超電導線材に離形材層やカーボン層等の柔軟な層を設ける場合、線材全体のヤング率が低くなり、超電導線材の引張強度が低下する。超電導線材をコイル状に巻回する際に離形材の塗布やカーボン層の形成を行う場合、超電導コイルの製造工程が複雑になる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、冷却時の剥離応力が低減され、引張強度を維持することが可能な高温超電導線材及び超電導コイルを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、高温超電導体と安定化層を有する高温超電導線材であって、前記安定化層は、前記高温超電導線材の少なくとも一方の主面において、２層の安定化層を有し、前記２層の安定化層のうち、内側の安定化層のヤング率が、外側の安定化層のヤング率より低いことを特徴とする高温超電導線材を提供する。

前記安定化層は、テープ状の基材と、前記基材上に形成された中間層と、前記中間層上に形成されて前記高温超電導体からなる超電導層と、前記超電導層上に形成された保護層とを有する超電導積層体の外周に設けられ、前記２層の安定化層は、少なくとも前記保護層の表面に設けられていてもよい。

また、本発明は、前記高温超電導線材が巻回され、その間に樹脂が含浸されてなることを特徴とする超電導コイルを提供する。

本発明によれば、外側の安定化層の内側に、ヤング率が低い安定化層が設けられているため、冷却時の剥離応力が低減され、引張強度を維持することが可能になる。

超電導コイルの一例を模式的に示す斜視図である。実施形態の超電導コイルの一例を示す部分拡大断面図である。超電導積層体の一例を模式的に示す断面図である。比較例１の超電導コイルの一例を示す部分拡大断面図である。比較例２の超電導コイルの一例を示す部分拡大断面図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、超電導コイルの一例を模式的に示す。図２に、図１のＡ部の断面を示す。図３に、超電導積層体の一例を示す。本実施形態の超電導コイル２０は、高温超電導線材１０が巻回された間に、樹脂２１が含浸されてなる。高温超電導線材１０は、超電導積層体１１の周囲に安定化層１２を有する。

超電導積層体１１は、テープ状の基材１１ａと、基材１１ａ上に形成された中間層１１ｂと、中間層１１ｂ上に形成された超電導層１１ｃと、超電導層１１ｃ上に形成された保護層１１ｄとを有する。本明細書において、基材１１ａ、中間層１１ｂ、超電導層１１ｃ、保護層１１ｄ等の各層が積層される方向が厚さ方向である。また、幅方向は、長手方向及び厚さ方向に垂直な方向である。

基材１１ａは、例えばテープ状の金属基材であり、厚さ方向の両側に、それぞれ主面を有する。基材１１ａの幅は、例えば５〜２０ｍｍ程度である。基材１１ａの厚さは、目的に応じて適宜調整すれば良く、例えば１０〜５００μｍの範囲である。

中間層１１ｂは、基材１１ａと超電導層１１ｃとの間に設けられる。中間層１１ｂは、多層構成でもよく、例えば基材１１ａ側から超電導層１１ｃ側に向かう順で、拡散防止層、ベッド層、配向層、キャップ層等を有してもよい。これらの層は必ずしも１層ずつとは限らず、一部の層を省略する場合や、同種の層を２以上繰り返し積層する場合もある。

超電導層１１ｃは、高温超電導体から構成される。高温超電導体は、転移温度が約２５Ｋ以上の超電導体であり、なかでも、転移温度が液体窒素温度（約７７Ｋ）以上の超電導体が好ましい。高温超電導体の具体例として、希土類元素（ＲＥ）を含むＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物、ビスマス元素（Ｂｉ）を含むＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物が挙げられる。

保護層１１ｄは、事故時に発生する過電流をバイパスしたり、超電導層１１ｃと保護層１１ｄの上に設けられる層との間で起こる化学反応を抑制したりする等の機能を有する。保護層１１ｄの材質としては、例えば銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、金と銀との合金、その他の銀合金、銅合金、金合金などが挙げられる。保護層１１ｄは、少なくとも超電導層１１ｃの表面を覆っている。

高温超電導線材１０は、超電導積層体１１の外周に、金属めっき、金属箔等の金属からなる安定化層１２を有する。安定化層１２は、保護層１１ｄの表面、保護層１１ｄの側面、超電導層１１ｃの側面、中間層１１ｂの側面、基材１１ａの側面、基材１１ａの裏面から選択される領域の一部または全部を覆ってもよい。安定化層１２の厚さとしては、例えば１０〜３００μｍ程度が挙げられる。

本実施形態の高温超電導線材１０において、安定化層１２は、高温超電導線材１０の少なくとも一方の主面において、２層の安定化層１２ａ，１２ｂを有する。高温超電導線材１０の主面とは、高温超電導線材１０の厚さ方向の両側の面である。図２に示すように、超電導コイル２０において、高温超電導線材１０を巻回すると、高温超電導線材１０の主面が対向する間に樹脂２１が含浸されている。例えば、図３に示す超電導積層体１１の外周上では、保護層１１ｄの表面上、又は基材１１ａの裏面上が、高温超電導線材１０の主面に相当する。

２層の安定化層１２ａ，１２ｂにおいて、ヤング率が低い安定化層１２ａを内側に、ヤング率が高い安定化層１２ｂを外側に配することにより、内側のヤング率が低い安定化層１２ａが緩衝材の役割を果たすため、高温超電導線材１０にかかる剥離応力を低減することができる。また、外側のヤング率が高い安定化層１２ｂは、高温超電導線材１０の長手方向の引張強度を保つとともに、含浸樹脂２１の熱収縮等に対して機械的な耐久性を付与することができる。２層の安定化層１２ａ，１２ｂは、金属同士で密着性に優れる。

基材１１ａを有する超電導積層体１１において、一般に基材１１ａの厚さが超電導積層体１１の厚さの大部分を占めることから、基材１１ａの裏面上よりも、保護層１１ｄの表面上のほうが、超電導層１１ｃに近くなる。そこで、２層の安定化層１２ａ，１２ｂは、少なくとも保護層１１ｄの表面上に設けられることが好ましい。

ヤング率が低い安定化層１２ａを構成する材料としては、例えばヤング率Ｅが５０ＧＰａ以下の金属材料が好ましく、Ｅが４０ＧＰａ以下の金属材料がより好ましい。具体例として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ（Ｅ＝３１ＧＰａ）、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ（Ｅ＝３７ＧＰａ）、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ（Ｅ＝２４ＧＰａ）、Ｓｎ−Ｐｂ（Ｅ＝２２ＧＰａ）等の半田が挙げられる。ヤング率が低い安定化層１２ａの厚さは、例えば５μｍ以上であり、約１０μｍ、約１５μｍ、約２０μｍ、約２５μｍ、約３０μｍ、約３５μｍ、約４０μｍ、約４５μｍ、約５０μｍ等が挙げられる。ヤング率の低い安定化層１２ａは、高温超電導線材１０の厚さ方向に働く剥離応力を低減する緩衝層として働くことから、高温超電導線材１０の側面よりも保護層１１ｄの表面と基材１１ａにおいて厚く形成されていると良い。他方、高温超電導線材１０の側面においては、線材の断面形状が歪になるのを避けるために、ヤング率の低い安定化層１２ａは薄く形成されていると良い。

ヤング率が高い安定化層１２ｂを構成する材料としては、例えばヤング率Ｅが７０ＧＰａ以上の金属材料が好ましく、Ｅが１００ＧＰａ以上の金属材料がより好ましい。銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等が挙げられる。ヤング率が高い安定化層１２ｂの厚さは、例えば５μｍ以上であり、約１０μｍ、約１５μｍ、約２０μｍ、約２５μｍ、約３０μｍ、約３５μｍ、約４０μｍ、約４５μｍ、約５０μｍ等が挙げられる。

２層の安定化層１２ａ，１２ｂの厚さの比率として、例えば１０％：９０％〜９０％：１０％が挙げられる。この比率の具体例として、１０％：９０％程度、２０％：８０％程度、３０％：７０％程度、４０％：６０％程度、５０％：５０％程度、６０％：４０％程度、７０％：３０％程度、８０％：２０％程度、９０％：１０％程度が挙げられる。

比較のため、図４に、超電導積層体１１の外周にヤング率が中程度の安定化層１２ｃを１層のみ積層してなる高温超電導線材１０１から作製した超電導コイル２０１を示す。この場合、安定化層１２ｃに緩衝作用がないため、冷却時の剥離応力が低減されず、特性の劣化が多くなると考えられる。
また、図５に、ヤング率が低い安定化層１２ａを外側に、ヤング率が高い安定化層１２ｂを内側に配した高温超電導線材１０２から作製した超電導コイル２０２を示す。この場合、ヤング率が低い安定化層１２ａが超電導層から離れるため、剥離応力を低減する効果が薄く、特性の劣化が多くなると考えられる。

テープ状の高温超電導線材１０を使用して超電導コイル２０を作製するには、例えば線材を巻枠の外周面に沿って必要な層数巻き付けてコイル形状の多層巻きコイルを構成した後、巻き付けた線材を覆うようにエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させて、超電導線材を固定する方法が挙げられる。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
高温超電導線材及び超電導コイルは、外部との接続端子や線材同士の接続部を有することができる。これらの箇所では、他の箇所と異なる断面構造を有してもよい。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
（超電導積層体の作製）
厚さ７５μｍ、幅１２ｍｍのハステロイ（登録商標）テープ基材の表面に、ＩＢＡＤ（イオンビームアシスト蒸着）法により厚さ１μｍのＧｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７からなる第一中間層を成膜した。次に、第一中間層の上に、パルスレーザー蒸着（ＰＬＤ）法により厚さ０．５μｍのＣｅＯ_２からなる第二中間層を成膜した。次に、第二中間層の上に、ＰＬＤ法により厚さ２μｍのＧｄＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘからなる超電導層を成膜した。次に、超電導層の上に、スパッタ法により厚さ７μｍのＡｇからなる保護層を積層した。得られた積層体に対し、温度５００℃で酸素アニール処理を施すことにより、超電導積層体を得た。

（実施例）
超電導積層体の外周に、厚さ２０μｍでヤング率３０ＧＰａの第一安定化層を積層した。次に、第一安定化層の上に、厚さ２０μｍでヤング率１３０ＧＰａの第二安定化層を積層して、２層の安定化層を有する超電導線材を作製した。得られた超電導線材を巻回し、線材間にエポキシ等の樹脂を含浸して、外径（ＯＤ）が１４０ｍｍ、内径（ＩＤ）が１００ｍｍの超電導コイルを作製した。２０個の超電導コイルを作製して液体窒素温度に冷却し、超電導線材に通電したところ、２０個中１個のコイル劣化が認められた。

（比較例１）
超電導積層体の外周に、厚さ４０μｍでヤング率５０ＧＰａの安定化層を積層して、１層の安定化層を有する超電導線材を作製した。得られた超電導線材を巻回し、線材間にエポキシ等の樹脂を含浸して、外径（ＯＤ）が１４０ｍｍ、内径（ＩＤ）が１００ｍｍの超電導コイルを作製した。２０個の超電導コイルを作製して液体窒素温度に冷却し、超電導線材に通電したところ、２０個中６個のコイル劣化が認められた。

（比較例２）
超電導積層体の外周に、厚さ２０μｍでヤング率１３０ＧＰａの第一安定化層を積層した。次に、第一安定化層の上に、厚さ２０μｍでヤング率３０ＧＰａの第二安定化層を積層して、２層の安定化層を有する超電導線材を作製した。得られた超電導線材を巻回し、線材間にエポキシ等の樹脂を含浸して、外径（ＯＤ）が１４０ｍｍ、内径（ＩＤ）が１００ｍｍの超電導コイルを作製した。２０個の超電導コイルを作製して液体窒素温度に冷却し、超電導線材に通電したところ、２０個中１０個のコイル劣化が認められた。

実施例１は、比較例１〜２と比較して、超電導線材全体のヤング率が同じであるが、冷却時のコイル劣化を著しく低減することができた。この結果から、実施例１は、比較例１〜２と比較して、剥離応力に強い構造であることが実証された。

１０…高温超電導線材、１１…超電導積層体、１１ａ…基材、１１ｂ…中間層、１１ｃ…超電導層、１１ｄ…保護層、１２…安定化層、１２ａ…ヤング率が低い安定化層、１２ｂ…ヤング率が高い安定化層、２０…超電導コイル、２１…含浸樹脂。

Claims

高温超電導体と安定化層を有する高温超電導線材であって、
前記安定化層は、前記高温超電導線材の少なくとも一方の主面において、２層の安定化層を有し、前記２層の安定化層のうち、内側の安定化層のヤング率が、外側の安定化層のヤング率より低いことを特徴とする高温超電導線材。
前記安定化層は、テープ状の基材と、前記基材上に形成された中間層と、前記中間層上に形成されて前記高温超電導体からなる超電導層と、前記超電導層上に形成された保護層とを有する超電導積層体の外周に設けられ、前記２層の安定化層は、少なくとも前記保護層の表面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高温超電導線材。
請求項１又は２に記載の高温超電導線材が巻回され、その間に樹脂が含浸されてなることを特徴とする超電導コイル。